На електрони,що рухаються у напівпровіднику, буде діяти сила Лоренца F, під дією якої електрони будуть відхилятися до далекого краю пластинки, отже там буде згущення електронів, а біля переднього краю – їх недостача. Тому між цими краями виникає ЕРС, що називається ЕРС Холла.
Ех |
= |
Rn |
IB , (1) |
|
|||
|
|
d |
|
де Rn - постійна Холла (коефіцієнт пропорційності ); В – індукція магнітного поля;
I – керуючий струм
У випадку, якщо в матеріалі напівпровідникової пластини існують заряди тільки одного виду, постійна Холла рівна
RН = |
3p |
× |
1 |
, |
(2) |
|
|
8 еn
де е- заряд електрона;
n – концентрація носіїв заряду.
Ефект Холла застосовується в магнітометричних давачах.
Тема1.4.КОНТАКТНІ ЯВИЩА В НАПІВПРОВІДНИКАХ
План
1.Формування контакту напівпровідник-напівпровідник. Електронно дірковий перехід.
2.Енергетична діаграма р-n переходу.
3.Властивості р-n переходу при наявності зовнішньої напруги.
4.Вольт-амперна характеристика р-n переходу.
5.Температурні і частотні властивості р-n переходу.
6.Контакт метал-напівпровідник. Перехід Шотткі.
7.Тунельний ефект.
8.Гетероперехід.
1. Формування контакту напівпровідник – напівпровідник. Електронно-дірковий перехід.
Електричний перехід між двома частинами напівпровідника одна з яких має електропровідність типу р, а інша n–типу, називається електронно-дірковими , або p-n переходом. Такий перехідний контакт не можна утворити простим дотиком пластин провідностей p і n. Поверхня напівпровідників навіть при ідеальній технології очищення містить багато домішок, забруднень, порушень кристалічної структури. Електронно-дірковий перехід отримують дифузією або вплавленням відповідних домішок у пластини монокристала напівпровідника.
Н.М. Щупляк. Основи електроніки і мікроелектроніки. |
|
http://dmtc.org.ua/ |
46 |
Рис.1. Утворення електричного поля і контактної різниці потенціалів в p-n переході:
а – розподілення електричних зарядів; б – розподілення напруженості електричного поля; в – потенціальна діаграма
На рис.1 показано утворення p-n переходу. Розглянемо явища, які виникають при електричному контакті між напівпровідниковими пластинами р та n типів з однаковою концентрацією домішок.
Унапівпровіднику n-типу основними рухомими носіями електричного заряду
єелектрони, а напівпровіднику р-типу-дірки.
Внаслідок того, що концентрація електронів в n-області більша ніж в р-області, а концентрація дірок в р-області вища ніж в n-області, на границі цих областей виникає градієнт концентрації носіїв заряду. За рахунок градієнту концентрації носіїв виникає взаємна дифузія (дифузійний струм ідиф) електронів із n-області у р- область (вони заповнюють вільні ковалентні зв’язки), а дірок у протилежному напрямі. Внаслідок цього у приконтактній зоні напівпровідника р-типу з'являється нескомпенсований негативний заряд іонів акцепторної домішки, а в приконтактній області n-типу виникає нескоскомпенсований позитивний заряд іонів донорної домішки. Між цими зарядами виникає внутрішнє електричне поле з напруженістю Евн. Це поле являється гальмівним для основних носіїв заряду і прискорюючим для неосновних носіїв заряду, внаслідок цього виникає дрейфова складова струму ідр , зумовлена рухом основних носіїв заряду.
Внаслідок відходу дірок з приконтактної області р-типу та електронів з приконтактної області n-типу на цих ділянках створюється збіднений на рухомі носії заря-
Н.М. Щупляк. Основи електроніки і мікроелектроніки. |
|
http://dmtc.org.ua/ |
47 |
ду шар, який називають запірним шаром. Товщина запірного шару залежить від концентрації носіїв електричного струму і приблизно дорівнює 10-4 - 10-5 см.
2. Енергетична діаграма p-n переходу
Відомо, що положення рівня Фермі в домішковому напівпровіднику залежить від провідності і концентрації носіїв заряду. На рис.2 а, б показано рівні Фермі на електричних діаграмах p- і n- областей напівпровідника (до контакту). В напівпро-
віднику n – типу рівень Фермі ( |
) зміщений від середини забороненої зони в |
|
сторону провідності, а в напівпровіднику p – типу рівень Фермі ( |
)зміщений в |
|
сторону валентної зони. |
|
|
Рис. 5. Рівень фермі в напівпровідниках а - до контакту в напівпровіднику n – типу;
б - до контакту в напівпровіднику p – типу; в - після контакту.
Після утворення p-n переходу і виникнення деякої контактної різниці потенціалів Uk встановлюється теплова рівновага, при якій результуючий струм через p-n перехід стає рівним нулеві. Це означає, що в умовах теплової рівноваги вірогідність проходження носіїв заряду через p-n перехід в обох напрямках стає однаковою. Значить енергетичні діаграми n – і p – областей напівпровідника в процесі встановлення теплової рівноваги повинні зміститися відносно одна одної так, щоби рівень Фермі був постійним по всьому переходу, тобто рівень Фермі p – області і n – області розташовуються в одну лінію. При цьому енергетична діаграма p-n переходу має вигляд показаний на рис.2 в.
Різницяе к мінімальних енергій електрона в зонах провідності p – і n – областей рівна , тобто визначається контактною різницею потенціалів.
Н.М. Щупляк. Основи електроніки і мікроелектроніки. |
|
http://dmtc.org.ua/ |
48 |
Концентрація електронів в зоні провідності n – області стає вищою, так як мінімальна енергія, яку повинні мати електрони в цій зоні, нижча, ніж в зоні провідності p – типу. Щоби перейти в зону провідності напівпровідникае к p – типу, електрону напівпровідника n – необхідно здійснити роботу . Таку ж роботу повинні виконати дірки для переходу із валентної зони напівпровідника p – типу в валентні зону напівпровідника n – типу.
3. Властивості p-n переходу при наявності зовнішньої напруги
Густина повного струму через p-n перехід визначається сумою дифузійних і дрейфових складових густин струмів, які за відсутності зовнішньої напруги однакові. Напрям струмів дрейфу протилежний струмам дифузій. Тому в стані термодинамічної рівноваги при незмінній температурі й відсутності зовнішнього електричного поля густина повного струму через p-n перехід дорівнює нулеві:
Jр диф +Jn диф +Jр др + Jn др = 0 (1)
або ідиф+ідр = 0
Подвійний електричний шар в області p-n переходу зумовлює контактну різницю потенціалів, яку називають потенціальним барєром φк . Величина φк залежить від матеріалу напівпровідника і його температури. Для германію φк = (0,2- 0,4) В, для кремнію φк =(0,5-0,75) В
3.1 Пряме вмикання p-n переходу
Пряме включення p-n переходу отримують, якщо у р-ділянку ввімкнути плюс джерела зовнішньої напругиUзн, а уn-ділянку - мінус.
Під дією прямої напруги через зменшений потенціальний бар’єр носії заряду вводяться в ділянки, де вони є неосновними. Цей процес називають інжекці-
єю(вприскуванням) носіїв заряду.
При прямій напрузі не тільки знижується потенціальний бар’єр, але також зме-
ншується ширина запірного шару |
|
|
(рис.4). Його опір у прямому напрямі |
||||||||||
стає прямим (одиниці-десятки |
іонів). |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
∆ " < ∆ |
|
|
|
(2) |
|
|||||||
Езн |
|
|
|
|
|
Ерез = Евн– Езн |
|
|
|
||||
При прямому вмиканні p-n переходу (рис.3) зовнішнє електричне поле |
|||||||||||||
|
спрямоване зустрічно внутрішньому Евн і результуюча напруженість |
||||||||||||
зменшується: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
При цьому ідиф зростає, а висота потенціального бар'єру знижується: |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(3) |
|
У цьому випадку через |
перехід течеп рямий струм: |
|
|||||||||||
|
рез = |
к − |
зн |
|
(4) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Він обумовлюється |
дифузійною складовою струму,тобто залежить від концент- |
||||||||||||
|
|
Iпр = Iдиф – Iдр > 0 |
|
|
|||||||||
являється |
Iдиф Iдр |
|
|
|
|
|
Iпр ≈ Iдиф |
|
|
|
|||
рації основних носіїв зарядів і є великим за величиною. Якщо бар’єр значно зани- |
|||||||||||||
жений, то |
|
і можна вважати |
|
|
|
, тобто прямий струм в переході |
|||||||
|
|
чисто дифузійним. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Н.М. Щупляк. Основи електроніки і мікроелектроніки. |
|
http://dmtc.org.ua/ |
49 |
3.2. Зворотне вмикання р-n переходу
Якщо прикласти до p-n переходу зовнішню напругу UзАтак, щоб плюс був підключений до області напівпровідника n-типу, а мінус – до області р-типу (таке вмикання називається зворотним, рис.3), то збіднений шар розширюється, тому що під дією зовнішньої напруги електрони й дірки як основні носії заряду зміщуються в різні сторони від p-n переходу. Ширина нового збідненого шару збільшується,в результаті поле в p-n переході зростає і дорівнює:
Ерез = Евн + Ез (5)
Оскільки електричний опір p-n переходу дуже великий, то практично вся напруга Uзнприкладається до нього.
Висота потенціального бар’єру зростає до величини:
|
, |
(6) |
де |
– результуюра різниця потенціалів ізв |
’’ |
Рис.3. Зворотне вмикання p-n переходу Рис.4. Пряме вмикання p-n переходу
При зворотному вмиканні переходу через нього протікає зворотний струм ізв, який зумовлений потоком неосновних носіїв заряду. При цьому відбувається переміщення дірок із n-ділянки в р-ділянку і електронів із р-ділянки в n-ділянку. Таким чином неосновні носії заряду втягуються електричним полем у p-n перехід і прорходять через нього у сусідні ділянки.
Виведення неосновних носіїв (дірок з n-ділянки та електронів з р-ділянки ) через p-n перехід під дією зворотної напруги Uзн з ділянки, де вони були неосновними носіями зарядів, в ділянку, де вони стають основними носіями, називається
екстракцією.
При зворотному ввімкненні p-n переходу основну роль визначає дрейфовий струм, а тому зворотній струм із збільшенням Uзн наближається до сталого
значення ( його ще називають зворотним струмом насичення p-n переходу, тепловим струмом):
(7)
Н.М. Щупляк. Основи електроніки і мікроелектроніки. |
|
http://dmtc.org.ua/ |
50 |